预应力管桩由于其施工工艺简单、工期短、成桩质量可靠等特点,被广泛应用于对工期要求较严格的工业与民用建筑、路桥、码头等工程。但在江浙沪地区、广东省部分地区,因地质条件较差,淤泥层较厚,在管桩施工过程中往往会出现偏桩、断桩等质量问题。本文从施工角度出发,阐述在超深淤泥质土中进行预应力管桩施工会产生的主要质量问题,并结合工程实例,给出解决成桩质量问题的具体处理措施。本工程所取得的宝贵经验值得类似工程借鉴。

某工程首开区总建筑面积为74 000m²,包括10~13号楼4栋塔楼和商铺,4栋塔楼层数为29~31层,如图1所示。

预应力管桩具有强度高、自重小、成本低、施工快捷等特点,是对工期要求较高工程的首选桩型。但由于其中空壁薄,抗剪和抗弯能力较差,无法承受较大水平力,在施工时由于挤土效应,容易产生水平推挤而出现裂纹、偏桩甚至断桩的情况。

本工程塔楼部分采用PHC600(AB)桩,其中10号塔楼122根,11号塔楼101根,12号塔楼123根,13号塔楼118根,桩长为45~50m。根据岩土工程勘察报告,本场地属于珠江三角洲冲积平原地貌单元,场地浅部分有较厚淤泥、淤泥质土层,该土层呈软塑~流塑状态,工程性质差,对桩基工程影响较大,如图2所示,土层厚度为14.5~28.1m,顶面标高-6.490~3.180m。桩身位于淤泥层15~25m,粗砂层平均厚度20m。

以首开区13号楼为例,开挖过程中发现13号塔楼桩身有明显倾斜现象,立即组织检测单位对13号塔楼的118根工程桩全部进行小应变检测,如表1所示。常见的桩基分类主要是对桩基质量进行描述和评价。其中,I类,桩身完整;II类,桩身有轻微缺陷,不影响桩身结构承载力的正常发挥;III类,桩身有明显缺陷,对桩身结构承载力有可能产生影响;IV类,桩身存在严重缺陷。

施工现场淤泥层厚度最高达20m以上,塑性流动性强,对管桩产生剪切效应比较明显。

本项目工期紧,各工种交叉作业,在打桩过程中,周围运土车、桩机对土体多次碾压,淤泥质土敏感率高,桩身受到挤压,造成歪桩、断桩。

挖土过程中,盲目求快,没有分层开挖,导致土体荷载一次性卸载过大;同时,挖土的挖掘机在淤泥中碰撞桩身,造成偏桩、断桩。

打桩过程中,焊接工人焊接水平不够;焊接后,冷却时间达不到规定要求的8min便开始锤击,造成焊缝处断裂,管桩质量受损。

针对现场出现的管桩质量问题,项目人员聘请专家分析原因,并针对问题成因找到合理解决对策,对已经出现的问题进行补救,对后续的施工采取有效措施避免。总结为事前、事中、事后3类手段。

大面积打桩前首先需要做好试桩工作。由于地面为软土,地耐力较差,桩基施工对地面平整性要求较高,因此需要在地表进行建筑垃圾铺设,或在桩机下部铺设钢板,确保其在满足设计的地耐力前提下,桩机垂直平衡移动。

由于沉桩过程中会对土体产生挤密作用,一方面使土体密实,也同时在桩距较近时使桩相互影响,或造成打桩下沉困难,或使先打的桩因受水平挤压而产生位移或变位,或被垂直挤拔造成浮桩。故在群桩施工过程中,为确保桩身质量,应根据设计桩的密集程度、桩的规格、长短和桩架移动方向来选择打桩顺序,如中间向两侧对称施打、中间向四周施打、一侧向单一方向(逐排)施打等。

打桩过程中,桩身及桩帽、桩锤三者的中心线应保持一致。开锤时应低锤轻击,待桩身入土1m后进行二次垂直度校正。在桩接近设计标高的最后几米时要控制好锤击力度和桩顶标高,收锤标准以桩身进入持力层深度、最后贯入度或最后1m沉桩锤击数为主要控制指标。

接桩过程特别要注意以下两点:①按照桩基环衬预留的焊缝接口采用电弧焊方式进行满焊,分3层对称施焊,焊缝必须连续、饱满、无夹渣气泡、封闭不渗水、每层焊接头错开。②焊接完成后,要等待至少8min的自然冷却时间,才能涂刷环氧树脂进行防腐。

由于首开区部位已采取放坡挖土方式,在出现桩质量问题后,需要改进放坡坡度和一次开挖深度。经研究,开挖应遵循“分层、分段、平衡、限时”的原则进行,如图3所示,在淤泥质土中开挖深度≤1m,按1∶3~1∶4放坡。采用长臂挖掘机接力挖掘,最底层桩间挖土时采用小挖掘机进行作业,以防止挖掘机反复碰撞淤泥中的管桩。同时,挖掘机作业时应铺设走道板,避免扰动土层。严禁其他车辆进入挖土区域,随挖随浇捣底板配筋垫层。

土方开挖前应做好基坑降排水措施,固结土体,以减少挖土对桩基的影响。基坑顶部设置排水沟、集水井、挡土墙,确保雨水不流入基坑内。坑内分级设置排水沟、集水井、轻型井点降水等及时将地下水排出。

对于工期要求较紧的大商业区域,采用栈桥出土模式,如图4所示。第1次出土至栈桥和冠梁底标高。第2次挖土与栈道施工同步,局部放坡。第3次开挖栈道剩余土方。

该做法可以防止挖掘机在淤泥中行走,最大限度避免淤泥中的管桩被碰。

除I类、II类桩外,III类桩需要进行纠偏灌芯处理。

因为现有垫层无法满足纠偏要求,需对其进行修复,垫层厚度≥200mm,垫层双向配筋,在无法修复的部位需要借用千斤顶或手拉葫芦。

采用高压水枪、压缩空气进行冲水取土,清孔深度宜超过第1节桩下2~3m。

用吊锤法测试3~5m范围的管桩偏斜情况,并计算出倾斜度,偏位根据轴线采用钢尺测量。在倾斜桩和纠正位置之间开导向槽。开挖桩头露出垫层15~25cm。

在导向槽侧用高压水枪冲水取土,孔的深度根据偏位来定,宽度宜在600mm,同时排浆清除桩身前侧土体,以便于以较小的水平推力恢复桩位。

在桩的另一侧用千斤顶推桩移位,要严格控制推挤桩顶移位的速率,通过若干个行程将管桩推至复位,纠偏以桩身上段垂直为准(垂直度<1%),但纠偏过程中若桩身出现明显断裂和错位无法进行纠偏应立即停止施工。

在管桩纠偏过程中,在桩侧的孔穴内,逐步灌入5~25mm碎石和细砂,振捣致密,一直持续到纠偏到位,以此来增加桩侧一定范围内的土体强度和变形模量,提高桩底土的抗偏荷载能力。

填芯前通过高压水枪、压缩空气用钢丝刷清洗桩管,然后通过起重机在管桩内下钢筋笼,根据实际桩身完整性、垂直度结合已有经验确定钢筋笼长度,桩内浇灌C35微膨胀混凝土。

以上操作中,需要特别注意的是,灌芯长度需要至裂缝位置且大于第1个管桩接头位置以下2m。灌芯完成7d后进行高应变监测,确定桩身完整性和竖向抗压承载力。

对出问题的IV类桩进行补桩。首先由设计单位出具补桩图,技术部门制订补桩方案,补桩桩型可选用开口式预应力管桩或后注浆灌注桩。补桩应根据现场工况,需要对整个场地进行回填处理,对已经施工的配筋垫层区域,施工时回填砖渣50cm,以对已施工桩头成品加以保护,对未硬化的区域回填80cm砖渣,以便桩机行走,对于核心筒部位,需要砖渣加厚,整个面层保持平整。

如采用预应力管桩补桩,补桩前需要进行引孔,引孔深度需要达到18m。施工完毕后需对补桩区域的桩进行小应变检测。

为避免预应力管桩机械因其设备自重过大,在补桩时对周边已施工完成的管桩产生影响,补桩桩型宜采用后注浆灌注桩。后注浆灌注桩桩侧受力特征和沉降特征均与预应力管桩接近,可以协同作用。灌注桩桩机钻孔至设计深度时,需不断置换泥浆,清除孔底沉渣,直至下放预埋注浆管的钢筋笼后连续浇筑水下混凝土。混凝土浇筑完成,分别在4~5h后,12h后进行2次清水劈裂。7d后,在保证注浆管、注浆阀压力、注浆器均合格的情况下进行2次注浆,第1次注浆量为70%,第2次注浆量为30%,注浆间隔时间为2h左右。后注浆质量控制采用注浆量和注浆压力双控方法,以注浆量控制为主、注浆压力控制为辅。

当满足下列条件之一时可终止注浆:①浆液总量和注浆压力均达到设计要求;②浆液总量已达到设计值的75%,且注浆压力超过设计值的1.1倍。

后注浆灌注桩桩身连续性超声波检测应在后注浆前完成,桩机施工完毕后,按规范要求进行小应变、抗拔、抗压承载力检测。

本工程通过事前预控、事中控制和事后补救的手段对预应力管桩的成桩质量问题进行管控。在后续塔楼预应力管桩施工中,管桩静荷载试验结果良好、承载力标准值均满足要求,桩顶沉降值均未超过桩基规范要求,桩基检测合格。对于已经出问题的管桩质量问题,经过纠偏、补桩等手段,其质量要求也均可满足设计要求。本文结合具体工程案例所归纳总结的预应力管桩施工质量控制技术有较强的实用性和较高的推广价值。